1. 서 론
2. 세굴에 의한 고유진동수 변화
2.1 교각의 고유진동수
2.2 충격진동시험
2.3 건전도 지표
3. 실험현장 및 장비
4. 시험 결과
4.1 주파수 성분에 따른 고주파와 저주파 분석
4.2 타격 위치의 영향
4.3 굴착에 따른 고유진동수 변화
5. 결 론
1. 서 론
최근 다양한 기반시설이 노후화되면서 과거에 건설된 시설물의 유지관리에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중 중요한 사회기반시설인 교량에 있어서 건전도 저하는 사회·경제적으로 큰 손실을 유발한다. 한국철도기술연구원(KRRI, 2017)의 조사 결과, 2017년을 기준으로 하여 국내에서는 총 3,282개의 철도교량 중 준공된 후 30년 이상 지난 철도교량이 1,286개로 전체의 약 39%를 차지한다. 노후된 시설물의 건전도 저하를 예방하기 위하여 국내에서는 정기안전점검, 정밀안전점검 및 정밀안전진단을 통하여 구조물을 주기적으로 점검하고 시설물을 안전등급에 따라 종합평가하여 관리하고 있다. 1등급 교량의 경우 6개월에 1회 이상 정기안전점검, 3년에 1회 이상 정밀안전점검, 6년에 1회 이상 정밀안전진단을 실시하고 있다. 하지만 이러한 점검은 대부분 교량 상부구조물의 건전도를 평가하는 것이 목적이다.
국내에서 1974년부터 2001년까지 발생한 교량사고 총 45건을 조사한 결과, 약 42%인 19건이 하부구조물의 붕괴로 인하여 발생하였다는 것을 알 수 있다(Kim and Yu, 2002). 하부구조물 붕괴에 의한 교량 파괴의 가장 큰 원인은 홍수 시 교대 및 교각에 발생하는 세굴 현상에 의한 기초파괴이다(Shirole and Holt, 1991; Smith, 1976). 세굴은 하천 및 해상의 흐르는 물에 의해 흙이 침식되는 현상으로 주로 하상 재료의 구성에 따라 서로 다른 세굴 양상을 보인다. 또한, 세굴은 장기 하상변동, 단면축소 세굴, 국부세굴의 세 가지 형태로 나누어 평가하는 것이 일반적이다. 이 중 국부세굴은 극히 일부분의 수로 폭 부분에서만 일어나는 형태로 주로 교각, 교대, 돌출부와 제방 주위에서 발생하고 흐름의 가속과 흐름의 방해에 의해 야기된 와류의 발달에 의해 생기게 된다. 하천의 흐름 방향이 바뀜으로써 교량의 하도 부분을 침식시킬 수 있고, 교량이 지나가는 수로에서는 교각과 하천이 흐르는 각도가 평행하지 않아 세굴심을 크게 변화시킬 수 있다.
국내의 경우, 매년 약 100여 개의 크고 작은 교량이 세굴로 인하여 붕괴 및 손상을 입고 있음에도 불구하고 장·단기간에 걸친 세굴 보호 대책은 충분하지 않은 상태이며, 수중 탐사의 어려움으로 세굴의 진행 상황 파악도 힘든 실정이다(Kim et al., 2005). 특히, 여름철 폭우 등에 의한 교각 세굴 피해 등이 많이 발생하여 이에 대한 대비책 또한 필요하다. 이에 따라 세굴로 인한 교대·교각 기초부 노출 및 이로 인한 교량 파괴가 발생하는 것을 방지하기 위하여, 세굴 영향을 고려한 교량 기초의 건전도 평가가 필요하다.
현재까지 구조물의 건전도 평가 기법으로는 고유진동수 측정을 이용한 연구들이 많이 수행되고 있다. 일본에서는 고유진동수의 변화를 이용하여 교량 하부구조의 건전도를 평가하는 방법을 개발하였다. 이 방법은 추를 이용하여 구조물에 충격을 가하는 충격진동시험을 수행하고 하부구조에 발생한 응답에 대해 고속 푸리에 변환을 수행하여 구조물의 건전도를 평가하는 방법이다(Ministry of Land, Infrastructure, Transport and Tourism, 2007). 우리나라에서도 일본의 연구결과를 도입하여 인프라 유지관리 측면의 적용성을 분석한 바 있다. 한국철도기술연구원에서는 운영 중인 47개의 철도 교각을 대상으로 충격진동시험을 수행하여 얕은 기초형식에 일본 건전도 지수의 적용 가능성을 연구하였다(Jung, H.S., 2020). 또한, Kim et al.(2021)는 주변 지반의 지지조건에 따른 고유진동수의 변화를 파악하기 위하여 암반과 풍화토 지반에 설치되는 얕은 기초에 대한 실내 모형시험을 수행하였다. 그 결과, 얕은 기초의 고유진동수는 충격의 세기가 증가할수록 감소하는 경향을 보여주었다.
타격을 이용한 고유진동수 측정에 관한 대부분의 연구들은 세굴에 취약한 얕은 기초를 대상으로 수행되었다. 그러나, 노후 교량의 경우 우물통 및 말뚝기초 등 다양한 기초형식을 가지고 있으며 장기 세굴에 의해 횡방향 지지력 등이 감소될 가능성이 높다. 특히, 우물통 기초와 관련된 연구는 미비하며 지금까지 충격하중시험을 통한 우물통 기초로 지지되는 교각의 고유진동수 분석 연구는 수행된 바 없다.
이에 본 연구에서는 노후된 교량의 우물통 기초 교각에 충격진동시험을 수행하여 세굴에 대한 건전도 평가 방법으로의 활용 가능성을 연구하였다. 교량의 우물통 기초에 대한 충격진동시험을 통해 가속도 응답을 측정하고 고유진동수를 분석하였다. 또한, 교각의 타격지점을 교각 상단, 중앙, 하단의 3개 위치로 변화시켰고, 세굴 영향을 고려하기 위해 기초의 주변 지반을 굴착하면서 굴착 깊이에 따른 고유진동수 변화를 분석하였다.
2. 세굴에 의한 고유진동수 변화
2.1 교각의 고유진동수
고유진동수(f)는 단위 시간당 진동하는 회수(cycle/sec)를 의미하며 일반적으로 Hz 단위를 사용한다. 구조물의 고유진동수는 구조물의 강성(k)에 비례하고 질량(m)에 반비례하는 특성을 지니며, 이를 통해 구조물의 동적 특성을 표현할 수 있다. 고유진동수해석(Natural frequency analysis)은 구조물의 여러 고유진동수와 각 고유진동수에서 변형되는 모드 형상(Mode shape)을 통해 진동에 의한 공진 여부와 변형 형상을 예측하는 해석이다. 일반적으로 구조물은 전체 자유도 개수만큼 모드 개수와 모드 형상을 나타내며 이는 Fig. 1과 같다. 구조물은 저차 모드의 변형 형상이 가장 발생하기 쉽고, 고차 모드의 변형은 모드가 점차 높아질수록 발생할 가능성이 낮아진다.
Fig. 2와 같이 감쇠가 없을 경우 입력주파수가 구조물의 고유진동수에 근접할수록 응답은 무한대로 증폭된다. 즉, 최대 응답을 나타내는 구간을 확인함으로써 구조물의 고유진동수를 구할 수 있다.
2.2 충격진동시험
충격진동시험을 통한 고유진동수 측정 방법은 세굴에 의한 교량의 건전도 검토에 이용되고 있다. 충격진동시험을 통해 교대 및 교각을 해머로 타격하여 가속도 응답을 측정하고, 고속 푸리에 변환을 통해 최대 응답을 나타내는 지점을 구조물의 고유진동수로 평가한다.
Park et al.(2005)은 얕은 기초에 대한 충격진동시험을 수행하여 세굴 깊이에 따른 고유진동수의 변화를 분석하였다. 그 결과, 얕은 기초의 1차 모드 고유진동수가 세굴 깊이에 따라 감소하는 경향이 관찰되었다. 또한, Samizo et al.(2007)은 미세 진동(Microtremors)을 통해 얕은 기초에서 홍수 시의 하부구조물 거동을 비교한 결과 세굴이 진행됨에 따라 고유진동수가 감소함을 관찰하였다. Fig. 3은 충격진동시험의 일반적인 구성 장비를 보여준다. 본 연구는 철도기술연구원(Jung, H.S., 2020)에서 진행한 충격진동시험과 유사한 연구 장비를 구성하여 충격진동시험을 수행하였다.
2.3 건전도 지표
세굴과 고유진동수의 관계를 이용하여 현재 측정된 고유진동수를 표준 고유진동수와 비교함으로써 하부구조물의 건전도를 평가할 수 있다. Railway Technical Research Institute(RTRI, 2000)에서는 건전도 지표 등급으로 식 (1)과 같은 건전도 지표를 개발하고 하부구조물의 건전도를 평가하는 기준을 Table 1과 같이 제안한 바 있다.
여기서, α=건전도 지표, Fm=측정된 고유진동수, Fs=표준 고유진동수
Table 1.
Soundness evaluation criteria (RTRI, 2000)
건전도 지표 식에 적용되는 표준 고유진동수 Fs는 교량이 완공된 직후 하부구조물에서 측정된 값이다. 정기 점검을 통해 고유진동수를 주기적으로 측정한 후 표준 고유진동수에 대한 Fm의 감소 폭을 통해 구조물의 성능 저하 정도를 판별할 수 있다. RTRI(2000)는 장기간의 연구를 통해 표준 고유진동수 데이터를 확보하여 경험식을 도출하였다. 그리고, Kien et al.(2017)은 경험식의 한계를 보완하기 위하여 고유치 해석(Eigenvalue analysis)을 이용한 이론적인 표준 고유진동수 계산식을 제안한 바 있다.
이 건전도 지표를 국내에 적용하기 위해서는 장기간에 걸친 고유진동수 측정시험을 통해 시공 초기의 표준 고유진동수와 노후화에 따른 고유진동수 변화를 측정하는 것이 필요하다.
3. 실험현장 및 장비
본 연구는 전라북도에 위치한 만경강교 교각을 대상으로 수행되었다. Table 2는 만경강교의 제원을 나타낸다. 만경강교의 연장은 690.0m이고, 상판의 폭은 11.7m이다. 총 22개의 교각으로 구성되어 있으며 본 실험은 P10 교각을 대상으로 실시되었다.
Table 2.
Mangyeong river bridge specification
| Bridge specification | |
| Span length (m) | 690 |
| Width (m) | 11.7 |
| Design load | DB24 |
| Superstructure type | PSCI |
| Abutment type | Inverse T shape |
| Abutment foundation | PC pile |
| Pier type | T shape |
| Pier foundation | Caisson |
교각의 기초는 원형 우물통 기초로서 기초의 폭은 5.4m, 지중 근입 깊이는 약 20.3m이다. Fig. 4는 P10 교각의 인접지반 지층정보를 보여준다. 인접지반인 시추공 B10과 B11의 지층구성은 지표면으로부터 모래층, 풍화대층, 연암층, 경암층이며, 상부로부터 모래층 두께 9.0m, 풍화대층 12.0m, 연암층 2.0m로 구성되어 있다.
Table 3은 시험에서 사용한 장비를 나타낸다. 비파괴 시험을 통한 고유진동수 측정을 위하여 가속도 센서와 추를 사용하였다. 가속도계는 PCB 356A15 모델 가속도 센서, 타격은 30kgf의 추를 사용하였다.
Table 3.
Mangyeong river bridge test equipments
| Test equipments | |
| Accelerometer | PCB 356A15 |
| Weight (kgf) | 30 |
| Data logger (kHz) | 1 |
| Generator (HP) | 1 |
Fig. 5는 충격진동시험을 진행한 만경강교 P10 교각의 제원을 나타낸다. P10 교각은 원통형으로서 직경은 2.20m, 높이는 4.24m이다. 가속도계는 그림에 표시한 바와 같이 우물통 기초 상단으로부터 각각 0.50m, 2.17m, 2.95m 위치의 교각 하단, 중앙, 상단의 세 지점에 부착되었다.
실험에 사용된 가속도계는 3축 방향의 가속도 측정을 할 수 있으나, 기존의 연구결과(Lee, M.J., 2019) 타격 방향과 동일한 방향의 수평가속도 값이 고유진동수 측정에 중요하며, 타격방향과 직교한 가속도 및 연직 방향의 가속도 크기는 일관된 결과를 보여주지 않는 것으로 연구된 바 있다. 그러므로, 본 연구에서도 타격 방향과 동일한 방향의 수평가속도만을 분석하였다.
타격방법은 무게 30kg의 추를 로프에 매단 후에 로프를 당겼다 놓는 방법으로 교각의 상단, 중앙, 하단을 각각 5회 타격하였다. 상단타격의 경우 우물통 기초 상단으로부터 2.95m, 중앙 타격은 2.17m, 하단 타격은 0.50m에서 실시하였다. 또한, 세굴에 따른 영향을 연구하기 위하여 우물통 기초 상단으로부터 굴착 전, 1.0m, 2.0m, 2.6m 굴착, 그리고 되메움했을 때의 타격에 의한 가속도 변화를 계측하였다.
Fig. 6은 충격진동시험의 현장 사진을 보여준다. (a)는 교각 P10, (b)는 교각의 상단, 중앙, 하단에 설치된 3개의 가속도계의 위치를 보여준다. (c), (d), (e)는 각각 상단, 중앙, 하단을 타격할 때의 모습을 보여주며, (f)는 세굴을 모사한 굴착 단계(굴착 전, 1.0m, 2.0m, 2.6m)를 보여준다.
4. 시험 결과
4.1 주파수 성분에 따른 고주파와 저주파 분석
본 시험에서는 만경강교 P10 교각의 상단, 중앙, 하단 타격과 굴착 깊이별 타격으로 설계된 15개 조건에 대해 동일 타격 조건으로 최소 5회 이상 타격하여 대표 측정자료를 선정하였다. 먼저, 교각에 부착한 가속도계를 이용하여 타격에 의한 시계열 가속도를 계측하였다. Fig. 7은 굴착 전 상단 타격 시에 상단 가속도계로부터 측정된 가속도-시간이력 측정자료를 나타낸다.
가속도계를 통해 측정된 값으로 고속 푸리에 변환을 진행하였다. Fig. 8은 Fig. 7의 시간이력을 고속 푸리에 변환을 통해 주파수 영역으로 나타낸 것으로 진동수에 따른 진폭과 위상각을 보여준다. 고주파 영역(~500Hz)으로 분석한 결과, 대부분 100Hz 이상인 고주파 진폭 성분이 우세한 것으로 나타났으며, 위상각의 경우 주파수에 따른 특별한 경향은 관측되지 않았다.
다음으로, 주파수 성분에 따른 비교를 위하여 굴착 전 상단 타격 충격하중시험을 통하여 주파수 영역에서의 진폭과 위상각을 측정하였다. Fig. 9에서는 주파수 영역에 따라 고주파 영역과 저주파 영역(~50Hz)으로 진폭을 구분하였다. 주파수 영역에 따라 고주파 영역과 저주파 영역으로 비교한 결과, 고주파 영역의 경우 상단, 중앙, 하단 가속도계로부터 분석한 진폭이 동일한 위상을 보였다. 또한, 250Hz 이상의 주파수 영역에서는 진폭이 급격히 상승하여 2차 모드 형태를 보임에 따라, 250Hz보다 작은 주파수 영역의 1차 모드에서 고유진동수를 분석하였다. 저주파 영역의 경우 상단, 중앙, 하단 가속도계로부터 분석한 진폭이 동일한 위상을 보이지 않았다. 따라서 주파수 영역에 따라 위상이 일정하게 나타난 고주파 영역의 진폭을 이용하여 실험을 진행하였다. 그 결과, 주파수 영역에서 상단, 중앙, 하단 진폭이 가장 크게 발생하고 동일한 위상을 나타내는 동시에, 위상차가 최소가 되는 지점을 고유진동수로 분석하여 이에 해당하는 약 191.8Hz를 교각의 고유진동수로 판단하였다(Jung, H.S., 2020).
4.2 타격 위치의 영향
Fig. 10은 굴착 전 타격 위치에 따른 진폭과 위상각 측정자료를 보여준다. (a)는 상단 타격, (b)는 중앙 타격, (c)는 하단 타격 시 가속도의 주파수 변환을 통한 진폭과 위상각을 나타낸다. 고유진동수는 주파수 응답이 최대가 되면서 상단, 중앙, 하단의 가속도계의 위상이 일치하는 주파수로 선정하였다. 고유진동수를 비교한 결과 상단 타격 주파수 응답의 경우 위상각이 최소인 고유진동수 191.8Hz 지점에서 상단, 중앙, 하단 가속도계의 진폭 위상이 동일하다. 중앙 타격 주파수 응답의 경우 위상각이 최소인 고유진동수 191.8Hz 지점에서 중앙 가속도계의 진폭이 상단 가속도계의 진폭보다 크게 나타났다. 하단 타격 주파수 응답의 경우에도 위상각이 최소인 고유진동수 191.8Hz 지점에서 중앙 가속도계의 진폭이 상단 가속도계의 진폭보다 크게 나타났다. 그러므로, 모든 주파수 영역에서 상단, 중앙, 하단의 진폭이 유사한 양상을 나타내는 상단 타격의 진폭을 이용하여 굴착에 따른 고유진동수 변화를 분석하였다.
상단 타격의 가속도를 고속 푸리에 변환하여 P10 교각의 고유진동수를 분석하였다. 본 교각의 고유진동수는 고주파 영역의 분석 결과를 바탕으로 최대 진폭 위상을 보이는 여러 개의 고유진동수 중 최소 위상각을 나타내는 지점인 약 191.8Hz로 판단하였다. 이는 얕은 기초를 대상으로 진행한 충격진동시험 결과, 교각의 고유진동수가 약 16.0Hz를 나타낸 기존 문헌과 비교할 때 매우 큰 값임을 알 수 있다(Jung, H.S., 2020). 고유진동수는 강성에 비례하므로 본 연구를 진행한 만경강교의 P10 교각의 경우 강성이 큰 우물통 기초로 이루어져 있기에 상대적으로 큰 결과를 나타낸 것으로 보인다.
4.3 굴착에 따른 고유진동수 변화
다음으로, 세굴에 의한 영향을 간접적으로 표현하기 위하여 굴착 깊이에 따른 고유진동수를 비교하였다. Fig. 11은 상단 타격 시에 굴착 깊이에 따른 주파수 분석을 수행한 결과로서 (a)는 굴착 전, (b)는 1.0m 굴착, (c)는 2.0m 굴착, (d)는 2.6m 굴착, (e)는 되메움 이후 측정된 주파수 영역의 진폭을 나타낸다. 고주파 영역에서 굴착 깊이에 따른 고유진동수를 비교한 결과, 교각 기초의 굴착 깊이가 1.0m인 경우 191.8Hz, 2.0m의 경우 190.8Hz, 2.6m의 경우 189.9Hz를 나타내었다. 이는 굴착 깊이가 증가함에 따라 고유진동수가 감소하는 경향을 나타낸다는 것을 보여준다. 또한, 되메움 이후에는 고유진동수가 193.9Hz로 증가하였다. 즉, 세굴을 모사한 굴착으로 고유진동수가 감소하며 되메움으로 고유진동수가 증가함으로써, 고유진동수가 건전도 지표 평가와 더불어 세굴에 대한 평가 지표로 적용 가능한 것을 확인하였다.
5. 결 론
본 연구에서는 세굴에 따른 교량 하부구조물의 건전도 평가를 위하여 고유진동수를 분석하였다. 폐교예정인 만경강교의 우물통 기초 교각에서 주파수 성분, 타격 위치 및 굴착 깊이의 변화가 고유진동수에 미치는 영향을 분석하기 위하여 충격진동시험을 수행하였다. 먼저 교각의 상단, 중앙, 하단 3개의 지점을 각각 타격한 후 3개의 가속도계를 통해 계측된 값을 고속 푸리에 변환하여 주파수 분석을 수행하였다. 주파수 분석은 주파수 성분에 따라 고주파와 저주파 분석 결과를 비교하였고, 타격 위치는 상단, 중앙, 하단 3개 지점을 각각 타격할 때의 결과를 비교하였다. 또한, 굴착 깊이는 굴착 전, 1.0m, 2.0m, 2.6m, 되메움 후의 고유진동수를 비교하였고 그 결과 아래와 같은 결론을 도출하였다.
(1) 저주파 영역의 경우, 상단, 중앙, 하단 가속도계로부터 분석한 진폭이 동일한 위상을 보이지 않았기에 주파수 영역에 따른 위상이 일정하게 나타난 고주파 영역의 값을 이용하여 실험을 진행하였다. 250Hz 이상의 주파수 영역에서는 진폭이 급격히 상승하여 2차 모드 형태를 보임에 따라, 250Hz보다 작은 주파수 영역인 1차 모드에서 고유진동수를 분석한 결과 약 191.8Hz로 측정되었다.
(2) P10 교각의 상단, 중앙, 하단 3개의 지점을 각각 타격하여 시험을 수행한 후, 위상각이 최소가 되는 고유진동수에서의 진폭을 비교하였다. 상단 타격 주파수 응답의 경우 위상각이 최소인 고유진동수 191.8Hz 지점에서 상단, 중앙, 하단 가속도계의 진폭 위상이 유사한 양상을 보였다. 하지만 중앙 타격 및 하단 타격 주파수 응답의 경우 고유진동수 191.8Hz 지점에서 중앙 가속도계의 진폭이 상단 가속도계의 진폭보다 크게 나타났다. 따라서 모든 주파수 영역에서 상단, 중앙, 하단 가속도계로부터 분석한 진폭이 유사한 양상을 나타내는 상단 타격의 진폭을 이용하여 굴착에 따른 고유진동수 변화를 분석하였다.
(3) 세굴에 의한 영향을 간접적으로 표현하기 위하여 굴착 깊이에 따른 고유진동수를 비교하였다. 굴착 전, 1.0m 굴착, 2.0m 굴착, 2.6m 굴착 시의 진폭을 비교한 결과, 고유진동수는 각각 191.8Hz, 191.8Hz, 190.8Hz, 189.9Hz를 나타내어 굴착 깊이가 증가함에 따라 고유진동수가 감소하는 경향을 보여주었다. 되메움 이후에는 고유진동수가 193.9Hz로 증가하여 굴착 깊이가 감소함에 따라 고유진동수가 증가하는 경향을 보여주었다. 1m 굴착 시에 고유진동수의 변화 폭이 매우 적은 원인은 충격진동시험이 수행된 P10 교각이 우물통 기초로 지지되고 있어 기초의 강성이 매우 크기 때문인 것으로 판단된다. 또한, 되메움 이후 고유진동수는 굴착 전의 고유진동수보다 2.1Hz 크게 나타나는데 그 원인은 되메움 과정에서 수행된 지반 다짐으로 인한 영향으로 판단된다. 세굴을 모사한 굴착과 고유진동수의 관계를 이용하여, 고유진동수가 건전도 지표 평가와 더불어 세굴에 대한 평가 지표로도 적용 가능한 것을 확인하였다. 그러나, 본 연구에서 분석한 고유진동수의 변화 폭이 작기에 정량적 세굴심 산정을 위하여 추가 연구가 필요할 것으로 보인다.
